基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器

技术领域

本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器。

背景技术

经济的快速发展带来了严峻的环境、能源问题。如何提高电源的效率、节省能源的消耗成为人类共同关心的问题。直流充电器作为单相交流电网与直流设备的接口电路，其性能对交流电网和直流设备起着重要作用，直流充电器作为电动汽车等交通工具的充电设备，具有广阔的应用场景。直流充电设备的功率因数低、电流谐波高，会对电网污染严重，受到人们的广泛关注，其中，三电平单位功率因数校正的直流充电器与两电平直流充电器相比具有功率器件电压应力小、电流谐波低、等效开关频率高的优点。近年来三电平结构被广泛的应用于各类电力电子系统中，特别是高压大功率交流变直流的充电桩领域。

发明内容

本发明采用双回路单开关双向管结构，并结合伪图腾柱式结构而提供一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，该直流充电器省去了导通回路中二极管的导通数量，有效降低了功率器件的导通损耗；同时电路中以双回路单开关双向管实现电流的双向流动，从而达到三电平电压输出的目的，降低了开关电压应力且无桥臂直通隐患，提高直流充电电路的可靠性和效率。

本发明采取的技术方案为：

基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，该直流充电器包括：

伪图腾柱桥臂、滤波电路、双回路带双向开关管的单相整流桥；

所述伪图腾柱桥臂包括开关管S

所述滤波电路包括电感L

所述双回路带双向开关管的单相整流桥包括二极管D

双向开关管包括开关管S

交流电源u

电感L

电感L

开关管S

开关管S

二极管D

二极管D

电容C

负载R

所述伪图腾柱桥臂由开关管S

所述双回路带双向开关管的单相整流桥包含两个相同结构的双向开关管，与电感L

所述双回路带双向开关管的单相整流桥包含双回路的单开关双向开关管，分别与两并联电感L

所述开关管S

该直流充电器电路在交流电源的一端并联两个相同的电感，双管结构升压变换器使得部分开关管电压/电流应力较低，开关管的导通损耗小，电压增益更高。

该直流充电器的整流桥臂采用了伪图腾住式结构，保留伪图腾柱式结构不存在桥臂直通隐患、无开关管体二极管反向恢复问题，可靠性高、效率高等优点。

本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，具有如下有益效果：

1)本发明采用了伪图腾柱式结构，保留了伪图腾柱整流器无桥臂直通隐患、无开关管体二极管反向恢复问题、可靠性高、效率高等优点。

2)本发明采用的双向开关管由1个全控器件和4个二极管组成，结构简单，降低了成本，减小了驱动的复杂性。

3)本发明将伪图腾柱结构与三电平整流器相结合，在传统的伪图腾整流器的基础上，增加一组二极管桥臂和双向开关管，降低了开关应力，解决了开关管耐压高的问题，适合高压输出场合。

4)本发明采用双回路带单开关的双向开关管分别与电感L1、L2相连，任一双向开关管的损坏不会影响电路的三电平输出，使得电路的可靠性大大提高。

5)该基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，融合伪图腾柱整流技术及三电平拓扑技术，相对于传统的升压功率因数校正直流充电器，能有效地降低开关管的应力，开关管的导通损耗小，且不存在桥臂直通现象；同时由于电路中存在双回路双向开关管，电路的可靠性被大大的提高。

附图说明

图1为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器主拓扑结构图。

图2为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图一。

图3为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图二。

图4为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图三。

图5为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图四。

图6为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图五。

图7为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图六。

图8为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器中开关管S

图9为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下输入侧电压电流波形图。

图10为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电感L

图11为发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电感L

图12为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电压u

图13为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电压u

图14为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下直流输出电压u

具体实施方式

如图1所示，一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，该直流充电器包括一对伪图腾柱桥臂、滤波电路、带双向开关管的单相整流桥。

一对伪图腾柱桥臂结构包括两个全控功率开关管S

所述滤波电路由滤波电感L

所述带双向开关管的单相整流桥由2个二极管D

以上双向开关管为例说明其结构：

双向开关管包括4个二极管D

下双向开关管与上双向开关管一致，二极管D

具体实验参数如下：

基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，输入侧中电网电压有效值为220V，频率50Hz,直流侧输出电压400V，开关频率为20kHz，滤波电感L

基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，电路正常工作时，稳定状态下共有六种工作模式：

(1)正半周期的三种工作模式：

如图2所示，模式一：开关管S

如图3所示，模式二：开关管S

如图4所示，模式三：开关管S

(2)负半周期三种工作方式：

如图5所示，模式四：开关管S

如图6所示，模式五：开关管S

如图7所示，模式六：开关管全关断，交流电源u

在图2～图7所示的六种工作模式下，网侧输入电流i

表1六种工作模式下状态表

如表1所示，在一个周期内，电路共有六种工作模式，当u

由图9所示，将交流电压乘以0.1倍的增益，与电感电流用一个示波器进行比较，交流输入电压与输入电流同相位，能实现高功率因数。

图10是流过电感L

图12是电压u